Figura 3.1 Esempio di tipici scambi di calore(Aermec)
Per il calcolo dei carichi invernali di ogni edificio è stato utilizzato un metodo di firma energetica opportunamente tarato su alcuni parametri, come temperatura sole-aria e apporti interni, per valutare le richieste di energia degli edifici su base oraria. Prima è stato calcolato il carico cautelativo alla temperatura esterna di progetto, pari a -5°C per Trieste (conforme a quanto riportato nella UNI 10349), in assenza di irraggiamento solare e senza altri apporti gratuiti, che possono compensare e ridurre in parte il carico termico (Grassi, 2015). Dalla normativa UNI TS 11300-I, per la climatizzazione invernale, per tutti gli edifici si assume una temperatura interna costante di 20°C, eccetto della palestra per cui il valore si ferma a 18°C.
Si determinano quindi le caratteristiche di ciascun edificio e si valutano le dimensioni e le caratteristiche termiche di tutti gli elementi, attraverso le stratigrafie delle varie pareti opache e/o vetrate e le relative proprietà termofisiche. I risultati sono presi da quanto esposto nei primi paragrafi dell’elaborato. Il flusso termico scambiato con l’esterno attraverso la superficie della parete di contorno dell’involucro è noto pari a
𝑄𝑝= (𝑈𝑃+ ∆𝑈𝑃) ∙ 𝑆𝑃∙ (𝑇𝑖− 𝑇𝑒)
Il simbolo ∆𝑈𝑃 riguarda il flusso termico trasmesso attraverso ponti termici, strutture per cui non è
possibile adottare la schematizzazione mono-dimensionale per calcolare gli scambi di calore. È utilizzato un metodo semplificato per valutare il loro contributo, includendolo direttamente nel valore della trasmittanza della struttura corretta da un ∆U tabellato (Grassi, 2015).
Le dispersioni attraverso le n superfici vetrate si ricavano dalla relazione seguente: 𝑄𝑣= (𝑈𝑣+ ∆𝑈𝑣) ∙ 𝑆𝑃∙ 𝑛 ∙ (𝑇𝑖− 𝑇𝑒)
Al flusso termico calcolato per le pareti si attribuisce una maggiorazione percentuale, dovuta all’orientamento della parete stessa, per tenere conto del diverso contenuto medio di umidità delle strutture a seconda che siano, annualmente, più o meno colpite dall’irraggiamento solare diretto. Si riportano di seguito i valori della maggiorazione indicati nella normativa, indicandone, come valore consigliato, il loro valore medio (Tab. 3.1) (Bettanini, 1991a).
45 Tabella 3.1 Maggiorazione percentuale dovuta all'orientamentodella parete stessa (Bettanini, 1991a)
In alcuni casi è presente un corridoio, considerato un locale a temperatura diversa (inferiore), attraverso cui scambiare flusso di calore. La trasmittanza di riferimento utilizzata nel calcolo è quella dei tramezzi già descritta, mentre la temperatura si considera più bassa di 2 °C rispetto a quella del locale riscaldato e si indica con Ttr.
𝑄𝑙𝑜𝑐 = (𝑈𝑡𝑟) ∙ 𝑆𝑡𝑟∙ (𝑇𝑖− 𝑇𝑡𝑟)
Seguendo le indicazioni della normativa (11300-1 prospetto 7) il flusso termico scambiato con il terreno attraverso i pavimenti controterra, può essere calcolato utilizzando un fattore di correzione pari a 0,45 (in mancanza di ulteriori informazioni), nella relazione:
𝑄𝑡 = 0,45 ∙ (𝑈𝑝𝑎𝑣) ∙ 𝑆𝑝𝑎𝑣∙ (𝑇𝑖− 𝑇𝑒)
Dallo stesso prospetto si ricava il fattore correttivo pari a 0,7 da utilizzarsi per il calcolo del flusso termico scambiato attraverso il solaio verso un sottotetto con tetto isolato nella seguente formula:
𝑄𝑡𝑒𝑡𝑡𝑜= 0,7 ∙ (𝑈𝑡𝑒𝑡𝑡𝑜) ∙ 𝑆𝑡𝑒𝑡𝑡𝑜∙ (𝑇𝑖− 𝑇𝑒)
Altra quota rilevante è il calcolo delle dispersioni di progetto per ventilazione, per mantenere le condizioni igieniche in ciascun locale deve essere assicurato un livello di ricambio d’aria in relazione alla destinazione d’uso. La relazione utilizzata è la seguente, nella quale i valori, in base al numero np di
persone presenti e alla specifica categoria degli edifici, della portata d’aria necessaria Qop (espressa in 10-3 m3/s per persona) e dell’indice di affollamento n
s derivano dalla normativa UNI 10339: 𝑄𝑣𝑒𝑛 = 𝜌 ∙ (𝐶𝑝) ∙ 𝑛𝑝∙ 𝑄𝑜𝑝∙ 𝑛𝑠∙ (𝑇𝑖− 𝑇𝑒)
Si aggiunge, se necessario, anche la potenza di ripresa per funzionamento intermittente; questa quota è necessaria per ottenere le condizioni di benessere in un tempo adeguato. Nel caso della parte residenziale questa non si considera perché si ipotizza un funzionamento continuo.
Sono stati realizzati i seguenti grafici a torta, calcoli effettuati secondo le relazioni precedenti, che mostrano la suddivisione delle dispersioni tra i vari componenti edilizi, in termini di potenza (Fig. 3.2- 3.7):
ESPOSIZIONE MAGGIORAZIONE (%) VALORE MEDIO
(%) S 0 0 SW 2-5 3,5 W 5-10 7,5 NW 10-15 12,5 N 15-20 17,5 NE 15-20 17,5 E 10-15 12,5 SE 5-10 7,5
46 Figura 3.2 -3.7 Spartizione percentuale delle dispersioni per ciascun edificio
47 Figura 4Figura 5Figura 6Figura 7Figura 8
Successivamente per ogni ora di ciascun mese è calcolata la relativa temperatura sole-aria tramite la formula seguente:
𝑇∗= 𝑇 𝐸𝑋𝑇+
𝐼𝑆𝑂𝐿𝛼𝐴𝑆𝑆 𝛼𝐿𝐼𝑀 𝐸𝑋𝑇
dove 𝑇𝐸𝑋𝑇 e 𝐼𝑆𝑂𝐿 sono valutati ora per ora per il mese in esame; 𝛼𝐴𝑆𝑆 è relativo al colore della
verniciatura degli edifici e varia nel range 0,3-0,5 (è stato scelto come valore 0,3) ed infine 𝛼𝐿𝐼𝑀 𝐸𝑋𝑇 ,
coefficiente convettivo liminare esterno, si trova con la seguente legge in funzione della velocità 𝑣 del vento, anche questa oraria per il mese in esame, dove il termine 4,4 ∗ 𝑣 corrisponde al coefficiente convettivo 𝛼𝐶𝑂𝑁𝑉 e 5,5 al coefficiente radiativo, 𝛼𝑅𝐴𝐷:
𝛼𝐿𝐼𝑀 𝐸𝑋𝑇 = 4 + 4,4 ∗ 𝑣 + 5,5
Con il supporto del software MATLAB, sul piano che riporta sull’asse delle ascisse le temperature e sull’asse delle ordinate i fabbisogni termici, si traccia la retta passante per due punti noti:
A. (20,0), fabbisogno nullo per la temperatura esterna uguale a quella interna di progetto, B. (-5, QTOT), corrispondente al carico cautelativo.
48 In particolare QTOT, specifico per ogni edificio e per ciascun mese del periodo di climatizzazione, corrisponde alla somma dei flussi di calore per dispersioni attraverso l’involucro e per ventilazione, calcolati dalle formule sopra descritte. Per rendere più comprensibile la procedura si riporta un esempio grafico di quanto esposto, prendendo come esempio il caso del residenziale relativo al periodo invernale.
Figura 3.8 Firma energetica periodo invernale (caso residenziale)
Inserendo, come input relativo all’asse delle ascisse, i valori per ogni ora della T* nell’equazione lineare della retta si ricavano le richieste di riscaldamento su base oraria di ciascun edificio.
Per rappresentare più fedelmente quello che succede nell’edificio secondo le attività che si svolgono al suo interno, si sottraggono al carico invernale i contributi di calore sensibile e latente, generati all’interno dell’ambiente, da parte di :
Persone Illuminazione
Apparecchiature/macchine presenti in ambiente
Nella pratica impiantistica si introduce spesso un fattore di contemporaneità per affollamento, il quale trova la sua motivazione nel fatto che è comunque difficile che il numero massimo di persone previste sia effettivamente presente e qualora lo fosse si abbia la certezza sul numero realmente presente ad un dato istante e sul tipo di attività che si sta svolgendo. Il fattore ricalca il profilo di possibile occupazione descritto all’inizio per ogni tipologia di edificio presente, con valori scelti nel range dei più diffusi di tali coefficienti per tipologia di edificio, presi da normativa. Per ogni edificio sono state scelte le quote di calore sensibile e latente scambiato in relazione principalmente al particolare tipo di attività svolta. Tutti i valori si trovano su testi specialistici oppure in normativa e sono validi per persone che soggiornano all’interno degli ambienti condizionati almeno per tre ore.
Perciò la formula utilizzata per il calcolo del carico interno dovuto alle persone presenti, uguale per carichi sensibili e latenti, è la seguente:
𝑄𝑖𝑛𝑡,𝑝=
𝑄 ∙ 𝑛𝑝 ∙ 𝑎 0,86
Q è il carico, sensibile o latente, specifico per attività espresso in 𝑘𝑐𝑎𝑙
ℎ , np il numero di persone, a il
coefficiente per descrivere il profilo di affollamento e il valore 0,86 il fattore di conversione in Watt. Nella tabella (Tab. 3.2) si trascrivono i valori di Qs e Ql che sono rispettivamente i carichi sensibile e latente dipendenti dalla tipologia di attività svolta principalmente (Bettanini, 1991a). Sono riportati solo i valori medi, perché la suddivisione quantitativa nei diversi scambi termici del flusso totale scambiato da un individuo in quiete, oltre ad essere funzione dell’attività svolta, dipende dalla temperatura ambiente. Si osserva che all’aumentare della temperatura ambiente, il flusso sensibile scambiato diminuisce e quindi per mantenere l’equilibrio termico del corpo, il solo scambio latente deve smaltire tutto il calore necessario verso l’ambiente esterno e di conseguenza il suo valore aumenta. Sono espressi
49 in kcal/h a persona e nella simulazione sono quindi moltiplicati per il numero totale delle persone previste.
SENSIBILE (kcal/h) LATENTE (kcal/h)
PALESTRA 90 140 AULE 55 45 UFFICI 55 45 MENSA 60 80 BAR 60 80 RESIDENZIALE 50 60
Tabella 3.2 In funzione dell'attività svolta ripartizione tra qs e ql medi (fonte Bettanini, 1991a)
Per quanto riguarda il carico dovuto all’illuminazione, occorre precisare che ciò che è assorbito dalle lampade in termini di potenza elettrica non si traduce interamente in energia luminosa, ma una porzione si ritrova sotto forma di calore dissipato nell’ambiente. L’energia assorbita contribuisce, dunque, alla definizione del carico di raffreddamento anche dopo la chiusura delle luci, visto lo sfasamento temporale indotto dai fenomeni di accumulo termico nelle strutture. Un valore abbastanza utilizzato per la stima dei carichi dovuti all’illuminazione è 12 W/m2 (Aermec).
Alla definizione del carico termico totale contribuiscono altre sorgenti, apparecchiature elettriche, che possono essere presenti in ambiente e che dissipano in esso parte dell’energia elettrica assorbita. Il valore di calore dissipato dipende dalla tipologia relativa di macchina e secondo il particolare utilizzo pensato per ogni singolo edificio e quindi delle tipiche macchine in esso presente, si suppone un valore diverso di questo calore, basandoci sul prospetto 14 della norma UNI 11300 parte-I.
Si utilizza questa formula per entrambi i carichi interni appena descritti: 𝑄𝑖𝑛𝑡 = 𝑄𝑑∙ 𝑆 ∙ 𝑐 ∙ 𝑎𝑐 ∙ 𝑓𝑐
in cui Qd è il calore disperso dalle apparecchiature elettriche, ac il fattore di accumulo, fc il fattore correttivo e c il coefficiente che rappresenta la contemporaneità di utilizzo dei vari elettrodomestici. Il fattore di accumulo e il fattore correttivo, rispettivamente 0,8 e 1,25 (Aermec), tengono conto dello smorzamento e delle modalità di cessione dell’energia assorbita dalle strutture, dovuti alle caratteristiche dei materiali usati. Il fattore di contemporaneità indica la più probabile possibilità di carichi presenti in contemporanea. Ha valori diversi per ogni ora, per ogni mese, e segue l’andamento del profilo (paragrafo 2.3) supposto per i consumi elettrici giornalieri orari per ogni tipologia di edificio. Gli stessi valori del coefficiente di contemporaneità sono utilizzati per il calore dissipato a causa di apparecchiature elettriche. In questo caso il valore del fattore correttivo è stato preso pari a 1, mentre il fattore di accumulo vale 0,5 (Aermec).
Si può quindi conoscere il carico netto invernale, sottraendo i carichi interni, moltiplicati preventivamente per un rendimento dinamico pari a 0,9 (fattore di utilizzazione degli apporti gratuiti per il periodo di riscaldamento). Tra gli 8760 valori ottenuti, quello di interesse progettuale è il valore massimo. Nel caso del residenziale il valore appena trovato è diviso per 0,75, per tener conto dei rendimenti dei sottosistemi di emissione (0,95), di distribuzione (0,85) e di regolazione (0,95). Per gli altri edifici è presente un ulteriore fattore in divisione pari a 0,95, rappresentante il rendimento di sottostazione di teleriscaldamento che alimenta il fabbisogno termico per riscaldamento. Questo fattore non è conteggiato per la parte residenziale in quanto il fabbisogno per riscaldamento, in questo caso, è soddisfatto tramite pompe di calore.
Il calcolo così esposto è ripetuto per ciascun edificio durante il periodo normato di riscaldamento. La tabella seguente riassume (Tab. 3.3), esclusivamente per il periodo di riscaldamento, i valori calcolati espressi in kW:
50
GENNAIO FEBBRAIO MARZO APRILE NOVEMBRE DICEMBRE
RESIDENZIALE 158 96 35 20 61 178 PALESTRA 24 21 15 12 16 17 AULE 209 187 137 119 155 158 UFFICI 157 140 104 90 116 120 BAR 76 68 50 43 56 58 MENSA 168 150 110 95 125 126
Tabella 3.3 Tabella riassuntiva dei carichi invernali